|
6
BAB 2
LANDASAN TEORI
2.1
Pengertian Mobil
Robot
Mobil
robot
adalah
robot
yang
memiliki
kemampuan untuk
berpindah
tempat
(mobility), mobil
robot
yang bergerak dari posisi awal ke posisi yang diinginkan, suatu
sistem
pintar
yang
mampu
bereaksi
terhadap
keadaan,
bekerja
secara
otomatik, dan
mampu
secara
keseluruhan
berpindah
tempat
terhadap
lingkungannya. Ada
tiga
sistem
yang paling umum digunakan untuk bergerak di atas permukaan tanah, yaitu:
1. Roda
2. Lintasan
3. Kaki
Masing-masing sitem memiliki keunggulan dan kelemahannya.
Sejauh
ini,
sistem
roda
adalah
sistem
yang
paling
banyak
digunakan, hal
ini
dikarenakan sistem roda lebih sederhana dan
mudah untuk dibangun dipandang dari sisi
mekanik dan
juga
mampu
membawa beban
yang
berat.
Baik
sistem
lintasan
maupun
sistem kaki, lebih rumit untuk dibangun, baik dalam
segi rancangan sistem
mekaniknya
dan peralatan yang diperlukan.
Namun, mobil robot dengan sistem roda beroperasi
dengan
buruk
di
permukaan yang
tidak
rata,
karena
mobil
robot
beroda
menghadapi
kesulitan
melewati objek yang
tingginya setara dengan jari-jari (radius) dari roda
mobil
robot. Salah satu solusinya adalah dengan
menggunakan roda yang jauh
lebih besar dari
halangan yang ada pada lintasan mobil robot, dan ini sangatlah tidak praktis.
|
|
7
Mobil robot dibuat oleh manusia dengan beragam tujuan, antara lain :
-
Bisa
menjelajah
ke
tempat
yang
tidak
pernah
dikunjungi
manusia
sebelumnya
dikarenakan antara
lain lingkungannya (tekanan
tinggi, tidak ada oksigen), jarak
(Planet Mars)
-
Mengurangi biaya, dengan menggunakan robot maka tidak perlu menggaji banyak
karyawan
-
Meningkatkan produktifitas, robot dapat bekerja lebih efektif dibanding manusia,
tidak memerlukan makan siang, liburan dan sebagainya
-
Meningkatkan kualitas produk, robot bekerja secara
konsisten
Mobil robot sangat
potensial
diaplikasikan
pada beragam
sektor dimana
kendaraan atau
manipulator dapat digunakan, atau telah digunakan saat ini, di antaranya
adalah :
-
Perawatan medis
Robot
bisa sebagai
pengantar
makanan,
minuman,
koran,
distribusi
obat dan
sebagainya
-
Jasa kebersihan komersial
Robot bisa menggantikan tenaga manusia sebagai pembersih atau pengepel lantai-
lantai di mall, bandara, supermarket, pabrik dan sebagainya
-
Pertanian
Robot bisa digunakan untuk menanam, menyiangi rumput, panen dan sebagainya
-
Kehutanan
Robot bisa digunakan merawat pepohonan,
memunggut kayu dan bubuk kayu
|
|
8
-
Pekerjaan berbahaya
Melacak bom, inspeksi pembuangan limbah, nuklir dan sebagainya
-
Militer
Ambulance otomatis, supply pasukan secara otomatis dan sebagainya
-
Hiburan
Anjing robot dan sebagainya
Pada skripsi
ini, akan dibahas
mobil robot tricycle,
yang tergolong dalam mobil
robot dengan sistem roda, sehingga
mobil robot dengan sistem kaki dan sistem lintasan
tidak dijelaskan lebih jauh.
2.1.1
Mobil robot
Beroda
Mobil
robot
beroda
terdiri
dari
4
tipe,
diantaranya
differential
drive,
synchro
drive,
tricycle dan tipe
yang
menyerupai
mobil
sebenarnya
(car type).
Masing-masing
tipe memiliki keunggulan dan kelemahan. Berikut adalah penjelasan dari masing-masing
tipe.
1. Differential Drive
Ciri utama : 2 roda penggerak oleh motor, 1 atau 2 roda penyeimbang
Keunggulan : sistem mekanik sederhana, bisa berputar di tempat,
memiliki 2 motor
Kelemahan : pada permukaan yang tidak rata, dengan dua roda penyeimbang mudah
kehilangan daya
tarik
motor, bila
memakai satu roda penyeimbang
mudah
goyah,
arah dan kecepatan sejalan (coupled)
Dari
segi
pembuatan program
dan
rancang,
differential
drive
adalah
sistem
yang
paling
sederhana dibanding dengan
yang
lainnya. Sistem ini
dapat bergerak lurus,
|
 9
berputar di
tempat, dan
bergerak melengkung
(busur).
Terdiri
dari
dua
roda
yang
masing-masing memiliki
kemampuan
kemudi
dan
motor
penggerak
yang
terpisah.
Permasalahan pada differential drive adalah pada keseimbangannya. Untuk
mengatasi, satu atau dua roda penyeimbang dapat digunakan. Satu roda penyeimbang
yang dipasang di bagian belakang, sudah cukup untuk membuatnya seimbang.
Namun jika robot bergerak pada kecepatan tinggi dan membelok tajam, robot dapat
kehilangan
keseimbangan dan
jatuh.
Untuk
mengatasinya dapat
dipasang
roda
penyeimbang kedua di bagian depan untuk membuat robot lebih stabil bergerak pada
kecepatan tinggi. Masalah lainnya adalah kemungkinan motor penggerak mengalami
beban yang tidak serupa. Misalnya, pada saat bergerak, satu roda berada di atas karpet
dan
roda
lainnya
bergerak
di
atas
kayu
keras,
hasilnya
robot
akan berputar karena
adanya selisih beban. Untuk
itu, kecepatan motor penggerak tidak boleh statis, harus
dapat dikontrol.
Gambar 2.1 Robot Differential Drive
)
|
 10
2. Synchro Drive
Ciri utama : masing-masing roda memiliki motor penggerak dan bisa dikendalikan
Keunggulan : bisa berputar di tempat dengan cara merotasi roda, dengan roda empat
atau lebih akan sangat bagus pada permukaan yang tidak rata
Kelemahan
:
sistem
mekanik dan
kontrol sangat kompleks dimana
masing-masing
roda memiliki motor penggerak dan bisa dikendalikan sendiri-sendiri.
Synchro drive umumnya terdiri dari tiga roda yang diposisikan secara segitiga dimana
masing-masing
roda
dapat
digerakkan
dan
diarahkan
sendiri-sendiri.
Ketiga
roda
selalu
menunjuk
pada
arah
yang
sama
setiap
waktu.
Untuk
merubah
arah,
robot
secara perlahan akan menggerakkan semua roda terhadap sumbu y. Arah
gerak dari
mobil robot akan berubah, namun rangka robot tetap pada arah semula. Hal ini dapat
menjadi masalah pada bagian depan robot, dimana biasanya sensor diletakkan, maka
harus dibuat suatu hubungan tambahan untuk menjaga agar rangka robot selalu searah
dengan
roda.
Sistem
ini
mampu
mengatasi
masalah-masalah pada
sistem
lainnya,
namun hal ini harus dibayar dengan kompleksnya sistem mekanik dari synchro drive.
Gambar 2.2 Robot Synchro Drive
)
|
|
11
3. Tricycle
Ciri
utama
:
memiliki satu
motor
penggerak (secara
bersamaan pada
kedua
roda
belakang) dan satu motor pengendali arah pada roda depan.
Kebaikan :
mudah dikontrol, karena kontrol arah dan kecepatan terpisah, memiliki 2
motor
Kelemahan :
tidak dapat berotasi di
tempat,
gampang
goyah pada permukaan tidak
rata, sistem mekaniknya sedikit kompleks dimana dua roda belakang digerakkan oleh
motor
yang
sama
atau
motor
pengendali
dan
motor
penggerak
dipasang
di
roda
depan.
Sistem tricycle menawarkan stabilitas yang bagus, dan
lebih sederhana secara
mekanis dibanding sistem car type, karena hanya memiliki tiga roda dibanding sistem
car type yang beroda empat. Sistem ini memiliki dua roda belakang
yang terhubung
pada
satu
motor penggerak
dan
satu
roda
depan
yang
hanya
memiliki
kemampuan
kemudi (steerable). Karena
hanya dikendalikan oleh
satu
motor
penggerak. Dalam
hal
ini
motor penggerak bisa
dipasang diroda depan maupun
roda
belakang. Sistem
ini
memiliki
keunggulan dibanding
sistem
differential,
yaitu
tidak
perlu
memperhatikan kecepatan dari motor penggerak untuk dapat bergerak lurus. Namun,
sistem
ini
mempunyai kekurangan dalam
hal
kinematika,
yaitu
kesulitan dalam
hal
kemudi dan
menempatkan dirinya sendiri pada beberapa orientasi,
misalnya, parkir
paralel.
|
 12
Gambar 2.3 Robot Trycycle
)
4. Car Type
Ciri
utama
:
satu
motor
penggerak
pada
kedua
roda
belakang dan
satu
motor
pengendali arah pada kedua roda depan.
Keunggulan : stabil pada permukaan tidak rata, kontrol kecepatan dan arah terpisah
dan memiliki dua motor.
Kelemahan : tidak dapat berputar di tempat, dan sistem mekaniknya kompleks
dimana
dua
roda
belakang
digerakkan motor
penggerak
dan
dua
roda
depan
dikendalikan secara bersamaan.
Sistem car type menawarkan stabilitas yang bagus, dan pada prinsipnya hampir mirip
dengan sistem tricyle, hanya sistem car type terdiri dari empat roda, dimana dua roda
belakang sebagai penggerak digerakkan oleh satu
motor dan dua roda depan
hanya
berfungsi sebagai kemudi.
|
 13
Gambar 2.4 Robot Car Type
)
Pada skripsi ini, akan difokuskan pada sistem tricycle, yaitu dengan membuat
simulasi kontrol dan pergerakan dari sistem tricycle ini, sehingga penjelasan lebih lanjut
akan terfokus pada sistem yang disimulasikan ini.
2.1.2
Tricycle
Tricyle Drive adalah suatu sistem penggerak dengan menggunakan tiga buah roda
dimana
dua
roda
belakang
sebagai
penyeimbang dan
pengukur
kecepatan
(hanya
mengikuti
pergerakan roda
depan)
dan
satu
roda
depan
sebagai
kemudi
sekaligus
penggerak. Untuk
motor penggerak pada sistem tricycle dapat dipasang pada roda depan
maupun diroda belakang. Konfigurasi seperti ini dapat dilihat pada Gambar 2.5.
|
 14
Gambar 2.5 Penggerak Tricycle
Sistem kemudi tricycle menawarkan stabilitas yang baik dan secara mekanik juga
sederhana sehingga sering menjadi pilihan dalam pembuatan mobil robot.
2.2
Navigasi Mobil
robot
2.2.1
Diagram
Blok dari Navigasi Mobil robot
Modellisation
Perception
Sensor Info
Main Patch
Trajectory
Control Vector
Path
Generation
Navigator
Local
Navigator
Gambar 2.6 Diagram Blok Pengendalian Sistem Mobil robot
|
|
15
Maksud
dari diagram
blok
gambar 2.6
yaitu
dalam
sistem
mobil
robot
terdapat
beberapa bagian dalam navigasinya. Pada modul perception terdapat dua unsur terpenting
yaitu
:
sensor Interpretasi dan sensor
Integrasi
(pengenalan) dua
unsur
ini
diperlukan
pada
sistem
navigasi,
karena
dua
unsur
tersebut
berfungsi sebagai
mata
(penglihatan)
seperti
halnya
pada
manusia.
Mobil
robot
dapat
bergerak dengan
mempertimbangkan
adanya
informasi dari dua
unsur
tersebut untuk
mendeteksi adanya
halangan atau
tidak
ada halangan
dari
posisi awal
ke posisi
akhir
pada saat
mobil
robot
tersebut
bergerak.
Selanjutnya pada tahap perencanaan dan pengendalian (control), yang perlu diperhatikan
untuk
memonitor segala pergerakan mobil
robot dari awal bergerak sampai pada tujuan
yang
diinginkan
oleh user.
Perencanaan
bisa
diartikan
sebagai
path
planning
(denah)
atau
track
untuk
pergerakan
mobil
robot
dan
misi
untuk
menggerakan robot
tersebut
apakah
mobil
robot tersebut
dapat
melewati
halangan
yang
ada
disekitarnya,
jika
bisa
melewati
maka
mobil
robot
tersebut
akan
melakukan inisialisasi terhadap
halangan
tersebut
dengan
sensor
pengenalan (recognition).
Setiap
pergerakan mobil
robot perlu
dilakukan pengawasan terhadap segala kegiatan yang dilakukan oleh mobil robot tersebut
dari posisi awal ke posisi akhir. Pengawasan ini diperlukan dalam sistem navigasi mobil
robot untuk mengetahui apakah mobile tersebut mengikuti path dengan benar atau tidak.
Jika
berhasil
berarti sistem
navigasinya tidak
ada
yang error.
Hal
yang
terakhir perlu
diperhatikan
adalah
pergerakan
(Actuation), bagian
ini
sangat
penting
karena
setelah
semua path diketahui dan misinya sudah ditentukan oleh user,
maka mobil robot tersebut
akan bergerak. Dalam
hal
ini
semua kegiatan tentang pergerakan dikontrol oleh bagian
Actuator,
supaya
pergerakannya dapat
dikendalikan
atau
dikontrol
agar
mobil
robot
tersebut bergerak sesuai dengan path yang diberikan oleh user.
|
 16
2.2.2
Komponen dari Sistem Navigasi
Didalam navigasi
robot
terdapat
3
komponen utama
yaitu
penglihatan,
pengendalian dan
pergerakan. Dibawah
ini
penjelasan
tiga
komponen
tersebut
adalah
sebagai berikut
Penglihatan (Perception):
o
Sensor interpretation
o
Sensor integrasi, Recognition (pengenalan)
Perencanaan dan Pengendalian / control (Planning and Control):
o
Perencanaan global (Global planning)
o
Penjadwalan (Schedulling)
o
Memonitor kegiatan /
pergerakan robot, Pengawasan (Monitoring of
overall robot activity, Supervising)
Pergerakan (Actuation):
o
Kegiatan navigasi (Navigational activities)
o
Pengendalian actuator (Actuator control)
2.3
Kinematika Mobil robot
Kinematika adalah
ilmu
yang
mempelajari tentang
pergerakan
tanpa
mempertimbangkan gaya
yang
mempengaruhi
pergerakan
tersebut.
Kinematika
mobil
robot
mempelajari
pergerakan
dari
mobil
robot
tanpa
mempertimbangkan gaya
yang
mempengaruhi pergerakan mobil robot.
|
 17
Ym
Xm
Gambar 2.7 Kinematika Mobil Robot Tricycle
Gambar 2.8 Titik ICC dari mobil robot tricycle
|
 18
ICC adalah pusat rotasi dari
mobil
robot, terletak pada perpotongan antara
garis
lurus yang melewati roda belakang dengan garis lurus yang ditarik dari arah roda
kemudi (roda depan).
{ X
b
, Y
b
} - kerangka dasar, sumbu sebenarnya dari mobil robot,
mempresentasikan posisi mobil robot terhadap ruangan tempat dia berada
{ X
m
, Y
m
} - kerangka acuan robot, sumbu semu yang dibuat
untuk
memudahkan perhitungan
gerak
dari
mobil robot.
Rangka semu
ini
berupa
garis
tegak lurus pada titik tengah jarak antara kedua roda belakang.
d
-
jarak antara roda depan dengan titik tengah jarak antara kedua roda belakang /
titik (x , y)
R
-
jarak antara titik tengah jarak kedua roda belakang dengan titik ICC
- sudut kemudi roda depan
- sudut kerangka mobil robot terhadap ruangan sebenarnya, menunjukkan posisi
keseluruhan mobil robot terhadap ruangannya.
W
S
-
kecepatan sudut dari roda depan
r - jari-jari roda depan
V
S
=
w
S
.r - kecepatan linear roda depan
2.3.1
Persamaan
Kinematika Tricycle
Drive
Berdasarkan
gambar
2.14
dapat
diturunkan
persamaan
kinematik
tricycle,
jika
roda kemudi di atur pada sudut a(t) dari garis lurus arah tricycle itu sendiri, tricycle akan
berputar
dengan
sudut perputaran ?(t).
Sedangkan untuk
penurunan rumus
kecepatan
linier roda kemudi :
|
 19
V
s
(t) = W
s
(t) r
(2.1)
Persamaan perubahan nilai R terhadap satuan waktu:
R(t)
=
d tg(p/2 - a(t))
(2.2)
Gambar 2.9 Trigonometri dari kinematika mobil robot tricycle
Dari persamaan (2.2 ) maka dapat dihitung perubahan sudut ? setiap waktunya ( ?(t) ) :
(t )
w
s
(t )r
d
2
R(t )
2
(2.3)
Persamaan (2.3) dapat di sederhanakan menjadi :
w(t )
Vs(t )
sin
(t )
d
(2.4)
Dari beberapa persamaan diatas maka dapat dibuat model kinematik pada kerangka acuan
robot :
v
x
(t )
v
s
(t ) cos
(t )
v
y
(t )
0
(t )
v
s
(t )
sin
(t )
(2.5)
d
|
 20
Gambar 2.10 Kecepatan Roda Kemudi
Dapat dilihat pada persamaan (2.5) v
y
(t) bernilai 0, ini bukan berarti nilainya benar benar
nol
tetapi karena kecepatan roda
kemudi terhadap sumbu
y
tricycle
tidak
dimasukkan
dalam
perhitungan
model
kinematik
terhadap kerangka
acuan robot,
berikut
ini
adalah
model kinematik tricycle terhadap kerangka acuan dasar :
x
v
s
(t ) cos
(t ) cos
(t )
y
v
s
(t ) cos
(t ) sin
(t )
(t )
v
s
(t )
sin
(t )
(2.6)
d
Yang bila diturunkan dalam bentuk matrix adalah sebagai berikut :
x(t )
cos
(t )
0
v(t )
y(t )
sin
(t )
0
0
1
w(t )
(t )
(2.7)
|
 21
Input berupa
lokasi awal (x0,y0)
dan
lokasi akhir yang diingikan (x1,y1)
menentukan
garis acuan untuk lintasan robot, dimana menggunakan rumus :
tg
y1
y0
x1
x0
-
sudut Gamma
(2.8)
Posisi
mobil
robot
terhadap
kerangka
dasar,
memiliki empat
posisi
utama
yang
memungkinkan, disebut posisi utama, karena dari keempat posisi ini, masing-masing bisa
diturunkan lagi.
Gambar 2.11 Kondisi mobil robot terhadap garis acuan
|
 22
Besarnya perubahan sudut yang di terapkan pada a, didasarkan pada kondisi
berikut ini :
1. Semakin
besar
nilai perbedaan
?
dengan
?
( ? – ? ), maka
semakin
besar
perubahan sudut
a
yang
diperlukan dan
semakin kecil
nilai
(
?
–
?
), maka
semakin kecil
perubahan
sudut
a
yang di perlukan, dengan kata
lain
besarnya
perubahan a (da) sebanding lurus dengan nilai ( ? – ? ).
2. Bedasarkan kondisi diatas dapat diterapkan persamaan da = ( ? – ? ), akan tetapi
persamaan
seperti
ini
menyebabkan
perubahan
yang
terlalu
besar
pada
a
yang
mengakibatkan belokan roda
kemudi terlalu
besar
sehingga ? tidak
akan sempat
mencapai ? ketika posisi x atau posisi y robot melewati posisi x atau posisi y akhir
yang telah ditetukan.
3. Kondisi diatas memerlukan suatu nilai pembagi dimana nilai tersebut cukup besar
untuk mengecilkan nilai ( ? – ? ) pada saat nilai ( ? – ? ) besar (dapat
menyebabkan belokan yang extrim) dan
nilainya cukup kecil pada saat ( ? – ? )
bernilai kecil sehingga tidak mempengaruhi pembagian.
4. Berdasarkan analisa diatas, dapat disimpulkan bahwa nilai pembagi tersebut
sebanding lurus dengan a, maka digunakan a sebagai pembagi
Dengan demikan, persamaan umum untuk perubahan a adalah :
d
(2.9)
dikatakan persamaan umum karena persamaan tersebut dapat berubah berdasarkan
kondisi-kondisi yang terjadi pada saat robot bergerak
|
 23
Sudut
selanjutnya diperoleh dengan menambahkan kenaikan sudut
dengan sudut
sebelumnya.
i
i
1
d
Posisi I (
>
&
> 0 )
Jika mobil robot berada pada posisi I, nilai
akan naik saat mobil robot bergerak, dan
kita naikkan supaya mobil robot bergerak menuju garis acuan lintasan robot.
Kenaikan nilai sudut
diperoleh melalui rumus :
d
(2.10)
Sudut
selanjutnya diperoleh dengan menambahkan kenaikan sudut
dengan sudut
sebelumnya.
i
i
1
d
(2.11)
Posisi II (
>
&
< 0 )
Jika mobil robot berada pada posisi II, nilai
akan turun saat mobil robot bergerak, dan
kita
naikkan supaya
mobil
robot
bergerak
menuju
garis
acuan
lintasan
robot. Dengan
kenaikan
nilai
secara
berlanjut,
maka
akan
mencapai
nilai
lebih
besar dari
0
dan
masuk ke posisi I atau ke III.
Kenaikan nilai sudut
diperoleh melalui rumus :
d
(2.12)
|
 24
Sudut
selanjutnya diperoleh dengan menambahkan kenaikan sudut
dengan sudut
sebelumnya.
i
i
1
d
Posisi III
(
<
&
> 0 )
Jika mobil robot berada pada posisi III, nilai
akan naik saat mobil robot bergerak, dan
kita turunkan
supaya
mobil
robot bergerak
menuju
garis
acuan
lintasan
robot. Dengan
penurunan
nilai
secara berlanjut,
maka
akan
mencapai
nilai
lebih
kecil dari
0
dan
masuk ke posisi IV.
Penurunan nilai sudut
diperoleh melalui rumus :
d
Sudut
selanjutnya diperoleh dengan menambahkan kenaikan sudut
dengan sudut
sebelumnya.
i
i
1
d
Posisi IV (
<
&
< 0 )
Jika mobil robot berada pada posisi IV, nilai
akan turun saat mobil robot bergerak, dan
kita turunkan supaya mobil robot bergerak menuju garis acuan lintasan robot.
Penurunan nilai sudut
diperoleh melalui rumus :
d
|
 25
Perubahan sudut ( d
) dapat ditetapkan batasan maksimalnya agar pada saat pergerakan
mobil robot tidak mengalami perubahan sudut yang terlalu besar pada waktu tertentu. Hal
ini
dilakukan
berdasarkan pengalaman
nyata
sehari-hari,
dimana
saat
mengenderai
kendaraan
perubahan
sudut kemudi
kendaraan yang
besar secara
mendadak pada saat
bergerak
akan
membuat
kendaraan tidak
stabil.
Pada
simulasi
ini
batasan
maksimal
perubahan sudut
(da)
ditetapkan adalah
3.5 derajat, jadi
bila
selisih
sudut
dari
perhitungan lebih besar, maka akan menjadi 3.5 derajat.
|